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EP0256230B1 - Längenmesseinrichtung - Google Patents

Längenmesseinrichtung Download PDF

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Publication number
EP0256230B1
EP0256230B1 EP87107630A EP87107630A EP0256230B1 EP 0256230 B1 EP0256230 B1 EP 0256230B1 EP 87107630 A EP87107630 A EP 87107630A EP 87107630 A EP87107630 A EP 87107630A EP 0256230 B1 EP0256230 B1 EP 0256230B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cable
scanning unit
fastening member
rod
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP87107630A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0256230A2 (de
EP0256230A3 (de
Inventor
Alfred Ing.(Grad.) Affa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority to AT87107630T priority Critical patent/ATE70909T1/de
Publication of EP0256230A2 publication Critical patent/EP0256230A2/de
Publication of EP0256230A3 publication Critical patent/EP0256230A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0256230B1 publication Critical patent/EP0256230B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales

Definitions

  • the invention relates to a length measuring device according to the preamble of claim 1.
  • Such a length measuring device is used in particular to determine the relative position of the workpiece and tool in numerically controlled processing machines.
  • a glass scale as a carrier of a material measure is scanned in transmitted light by a photoelectric scanning unit.
  • the scanning unit is mounted in a housing with low friction and can be moved in the measuring direction. It consists of a lamp arranged on one side of the carrier and four receivers offset in the measuring direction and arranged on the other side of the carrier. The lamp is supplied with voltage and the scanning signals are received by the receivers via electrical lines of a cable. One end of the cable is connected to the scanning unit and the other end to a socket attached to the housing as a connection module.
  • the movements of the cable in the limited free housing space can damage the cable and thus lead to failure of the measuring device.
  • the rod is directly connected to the machine bed at both ends.
  • the cable leads undefined out of the axial bore, and tensile stresses on the cable and thus forces can act on the scanning unit.
  • the invention has for its object to provide a length measuring device of the above type, which is compact and in which reliable operation is guaranteed.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that the line between the scanning unit and the connection module is fixed. Wear of the line and a malfunction of the measuring operation caused thereby is avoided. Furthermore, the invention enables a small design of the measuring device in that the attachment connects the push rod to the one object and the line is led into this attachment. Due to the angular flexibility, the attachment can be attached to any mounting surface without impermissible forces acting on the push rod and on the scanning unit.
  • a glass scale 1 with an incremental graduation 2 is glued into a housing 3 as a measuring standard.
  • a photoelectric scanning unit 4 is guided by means of rollers 5 with low friction on the glass scale 1 and on inner housing surfaces.
  • the housing 3 is fastened to a machine bed 6 and an attachment 7 to a machine slide 8.
  • a push rod 9 connects the attachment 7 to the scanning unit 4, so that relative movements of the machine slide 8 in the measuring direction are transmitted to the scanning unit 4 .
  • the incremental graduation 2 is illuminated by a lamp 10 of the scanning unit 4, and the modulated light is received by four receivers which are arranged offset in the measuring direction. The receivers are not shown in the figures.
  • a cable 11 is laid from the scanning unit 4 to the attachment 7 in the push rod 9 designed as a tube.
  • a socket 12 is attached, with which the electrical lines of the cable 11 are connected.
  • the cable 11 there are electrical lines for supplying energy to the lamp 10 and for receiving the receiver scanning signals.
  • a connecting cable can be attached to the socket 12 by means of a plug.
  • electrical lines from an external energy source and electrical lines leading to a display or evaluation unit can be integrated.
  • the cuboid attachment 7 is rotatably mounted about the longitudinal axis of the push rod 9. This has the advantage that the attachment 7 can be attached to the machine slide 8 as desired.
  • the bushing 12 can be aligned according to requirements, and misalignments of the mounting surfaces of the machine bed 6 and the machine slide 8 are compensated for.
  • the attachment 7 is firmly connected to the push rod 9 by screws 13 after the entire measuring device has been attached to a machine.
  • this connection could also be carried out in such a way that the attachment 7 can rotate about the longitudinal axis of the push rod 9 during the measuring operation.
  • measurement errors caused by guide errors in machine parts can be compensated for, without impermissible constraining forces acting on the push rod 9 and thus on the scanning unit 4.
  • the connection between the adapter 7 and the push rod 9 must, however, be carried out in all cases in such a way that the rigidity is ensured in the measuring direction.
  • the cable 11 emerges laterally from the connecting rod 9 within the adapter 7 and is guided to the socket 12.
  • the cable 11 forms one or more turns in this cavity in order to ensure an unimpeded rotational movement of the attachment piece 7 about the longitudinal axis of the push rod 9.
  • the cable 11 forms turns with small or larger radii.
  • a plate 14 is fixed to the push rod 9 and indicates the preferred direction of the turns of the cable 11. It but versions without this plate 14 are also conceivable.
  • a stop piece 15 on the plate 14 and a counterpart 16 on the attachment piece 7 limit the rotary movements by almost 360 degrees. This stop ensures that no undue tension is exerted on the cable 11.
  • a seal 17 between the tube wall of the push rod 9 and the cable 11 located in the push rod 9 prevents the ingress of liquids and dust into the housing 3.
  • the bushing can also be attached to the attachment piece on or in a surface perpendicular to the longitudinal axis of the push rod. It is also conceivable to attach the socket to the end of the push rod, wherein the socket itself can be designed as an attachable connection module.
  • the invention is not limited to the incremental photoelectric measuring device shown. It also includes other measuring devices, for example capacitive, magnetic and inductive devices of an incremental or absolute type.
  • the scanning signals which are passed from the scanning unit to the attachment, do not have to be of an electrical type; other transmissible signals are also conceivable.
  • the lines must also be designed accordingly; in the example mentioned, optical fibers would have to be used.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Längenmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Längenmeßeinrichtung wird insbesondere zur Ermittlung der Relativlage von Werkstück und Werkzeug bei numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen eingesetzt.
  • Aus dem Firmenprospekt "Gekapseltes Universal-Längenmeßsystem ULS, Walzspalt-Meßsystem WMS", Ausgabe Februar 1982 der DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH, ist eine derartige Längenmeßeinrichtung bekannt. Ein Glasmaßstab als Träger einer Maßverkörperung wird von einer photoelektrischen Abtasteinheit im Durchlicht abgetastet. Die Abtasteinheit ist in einem Gehäuse reibungsarm in Meßrichtung verfahrbar gelagert. Sie besteht aus einer, auf einer Seite des Trägers angeordneten Lampe und aus vier in Meßrichtung versetzt und auf der anderen Seite des Trägers angeordnete Empfänger. Die Spannungsversorgung der Lampe und die Abnahme der Abtastsignale von den Empfängern erfolgt über elektrische Leitungen eines Kabels. Ein Ende des Kabels ist an der Abtasteinheit und das andere Ende an einer am Gehäuse angebrachten Buchse als Anschlußbaustein angeschlossen.
  • Bei Relativbewegungen zwischen der Abtasteinheit und dem Gehäuse ändert sich laufend der Abstand zwischen der Abtasteinheit und der Buchse. Das bedeutet, daß das Kabel zwischen der Abtasteinheit und der Buchse laufend bewegt wird. Damit diese Bewegungen ungehindert erfolgen können, wird innerhalb des Gehäuses ein freier Raum benötigt, wodurch die Baugröße der Meßeinrichtung zunimmt.
  • Die Bewegungen des Kabels im begrenzten freien Gehäuseraum können zu Beschädigungen des Kabels und somit zu Ausfällen der Meßeinrichtung führen.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 36 13 755.3 (DE-OS 36 13 755) ist ebenfalls bereits eine Längenmeßeinrichtung bekannt, bei der ein Glasmaßstab von einer an einer Stange befestigten Abtasteinheit lichtelektrisch abgetastet wird. Der Glasmaßstab ist mit dem ersten Objekt und die Stange mit dem zum ersten Objekt relativ beweglichen anderen Objekt verbunden. In der Stange ist eine axiale Bohrung ausgebildet, in der eine von der Abtasteinheit nach außen reichende Leitung geführt ist.
  • Die Stange ist an beiden Enden direkt mit dem Maschinenbett verbunden. Die Leitung führt undefiniert aus der axialen Bohrung heraus, und es können Zugspannungen auf die Leitung und somit Kräfte auf die Abtasteinheit einwirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längenmeßeinrichtung der oben genannten Gattung anzugeben, die kompakt aufgebaut ist und bei der ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Leitung zwischen der Abtasteinheit und dem Anschlußbaustein fest verlegt ist. Ein Verschleiß der Leitung und eine dadurch hervorgerufene Störung des Meßbetriebes wird vermieden. Desweiteren wird mit der Erfindung eine kleine Bauform der Meßeinrichtung ermöglicht, indem das Anbaustück die Schubstange mit dem einen Objekt verbindet und in dieses Anbaustück die Leitung geführt ist. Das Anbaustück kann durch die Winkelbeweglichkeit an jede Anbaufläche angebaut werden, ohne daß unzulässige Kräfte auf die Schubstange und auf die Abtasteinheit wirken.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängiger Patentansprüchen angegeben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigt
    • Figur 1
    eine Längenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt,
    Figur 2
    einen Schnitt nach der Linie II-II in Figur 1.
  • Ein Glasmaßstab 1 mit einer inkrementalen Teilung 2 ist als Maßverkörperung in ein Gehäuse 3 eingeklebt. Eine photoelektrische Abtasteinheit 4 wird mittels Rollen 5 reibungsarm auf dem Glasmaßstab 1 sowie an inneren Gehäuseflächen geführt. Zur Messung der Relativlage zweier Maschinenteile ist das Gehäuse 3 an einem Maschinenbett 6 befestigt und ein Anbaustück 7 an einem Maschinenschlitten 8. Eine Schubstange 9 verbindet das Anbaustück 7 mit der Abtasteinheit 4, so daß Relativbewegungen des Maschinenschlittens 8 in Meßrichtung auf die Abtasteinheit 4 übertragen werden. Die inkrementale Teilung 2 wird von einer Lampe 10 der Abtasteinheit 4 beleuchtet, und das modulierte Licht wird von vier in Meßrichtung versetzt angeordneten Empfängern aufgenommen. In den Figuren sind die Empfänger nicht gezeigt. Ein Kabel 11 ist von der Abtasteinheit 4 zu dem Anbaustück 7 in der als Rohr ausgebildeten Schubstange 9 verlegt. An dem Anbaustück 7 ist eine Buchse 12 befestigt, mit der die elektrischen Leitungen des Kabels 11 verbunden sind. Im Kabel 11 sind elektrische Leitungen zur Energieversorgung der Lampe 10 und zur Abnahme der Empfänger-Abtastsignale vorhanden. Bei Relativbewegungen des Gehäuses 3 gegenüber dem Anbaustück 7 in Meßrichtung bleibt das Kabel 11 in Ruhe, da der Abstand zwischen der Abtasteinheit 4 und der Buchse 12 konstant bleibt. An die Buchse 12 kann ein Verbindungskabel mittels eines Steckers angebracht werden. In diesem nicht dargestellten Verbindungskabel können elektrische Leitungen von einer externen Energiequelle ausgehend sowie elektrische Leitungen zu einer Anzeige- oder Auswerteeinheit führend, integriert sein.
  • Das quaderförmige Anbaustück 7 ist um die Längsachse der Schubstange 9 drehbar gelagert. Dies hat den Vorteil, daß das Anbaustück 7 beliebig an den Maschinenschlitten 8 angebaut werden kann. Die Buchse 12 kann den Anforderungen entsprechend ausgerichtet werden, und Fehlausrichtungen der Anbauflächen des Maschinenbettes 6 und des Maschinenschlittens 8 werden ausgeglichen.
  • Das Anbaustück 7 wird im gezeigten Beispiel nach dem Anbau der gesamten Meßeinrichtung an eine Maschine über Schrauben 13 mit der Schubstange 9 fest verbunden. Diese Verbindung könnte aber auch so ausgeführt werden, daß sich das Anbaustück 7 während des Meßbetriebes um die Längsachse der Schubstange 9 drehen kann. Dadurch können durch Führungsfehler von Maschinenteilen hervorgerufene Meßfehler ausgeglichen werden, ohne daß unzulässige Zwangskräfte auf die Schubstange 9 und somit auf die Abtasteinheit 4 wirken. Die Verbindung zwischen dem Anbaustück 7 und der Schubstange 9 muß aber in allen Fällen so ausgeführt sein, daß die Steifigkeit in Meßrichtung gewährleistet ist.
  • Das Kabel 11 tritt innerhalb des Anbaustückes 7 in einen Hohlraum seitlich aus der Schubstange 9 aus und ist zu der Buchse 12 geführt. In diesem Hohlraum bildet das Kabel 11 eine oder mehrere Windungen, um eine ungehinderte Drehbewegung des Anbaustückes 7 um die Längsachse der Schubstange 9 zu gewährleisten. Je nach der Winkellage des Anbaustückes 7 bildet das Kabel 11 Windungen mit kleinen oder mit größeren Radien. Ein Teller 14 ist fest mit der Schubstange 9 verbunden und gibt dem Kabel 11 die Vorzugsrichtung der Windungen an. Es sind aber auch Ausführungen ohne diesen Teller 14 denkbar.
  • Ein Anschlagstück 15 am Teller 14 und ein Gegenstück 16 am Anbaustück 7 begrenzt die Drehbewegungen um nahezu 360 Grad. Dieser Anschlag gewährleistet, daß keine unzulässige Zugspannung auf das Kabel 11 ausgeübt wird.
  • Eine Dichtung 17 zwischen der Rohrwandung der Schubstange 9 und dem in der Schubstange 9 befindlichen Kabel 11 verhindert das Eindringen von Flüssigkeiten und Staub in das Gehäuse 3.
  • In nicht gezeigter Ausführung kann die Buchse auch an oder in einer Fläche senkrecht zur Längsachse der Schubstange am Anbaustück befestigt werden. Es ist auch denkbar, die Buchse an dem Ende der Schubstange zu befestigen, wobei die Buchse selber als anbaufähiger Anschlußbaustein ausgebildet sein kann.
  • Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte inkrementale photoelektrische Meßeinrichtung beschränkt. Sie schließt auch andere Meßeinrichtungen ein, beispielsweise kapazitive, magnetische und induktive Einrichtungen inkrementaler oder absoluter Art.
  • Die Abtastsignale, welche von der Abtasteinheit zu dem Anbaustück geleitet werden, müssen nicht elektrischer Art sein, es sind auch andere übertragbare Signale denkbar, so z. B. optische Lichtsignale. Dementsprechend müssen auch die Leitungen ausgelegt sein, beim genannten Beispiel wären Lichtwellenleiter zu verwenden.

Claims (4)

  1. Längenmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine Maßverkörperung (2) eines in einem Gehäuse (3) befestigten Trägers (1) von einer, im Gehäuse gelagerten, Abtasteinheit (4) abgetastet wird und Abtastsignale erzeugt werden, bei der ferner das Gehäuse (3) am ersten Objekt und ein Anbaustück (7) am anderen Objekt befestigt und die Abtasteinheit mit dem Anbaustück (7) über eine Schubstange (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) zumindest eine Leitung (11) zur Übertragung der Abtastsignale von der Abtasteinheit (4) in der Schubstange (9) zu dem Anbaustück (7) geführt ist;
    b) das Anbaustück (7) zumindest während des Anbaus relativ zur Schubstange (9) um die Längsachse der Schubstange (9) winkelbeweglich ist;
    c) das Anbaustück (7) einen Raum aufweist, in dem die Leitung (11) spiralförmig gewickelt ist.
  2. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Leitung ein elektrisches Kabel (11) oder ein Lichtwellenleiter ist.
  3. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anbaustück (7) relativ zur Schubstange (9) um die Längsachse der Schubstange (9) in einem Bereich von etwa 360 Grad winkelbeweglich ist.
  4. Längenmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (11) im Raum des Anbaustückes (7) seitlich aus der Schubstange (9) austritt und im Raum zumindest eine Windung bildet, daß ferner am Anbaustück (7) ein Anschlußbaustein (12) angebracht ist, an die die Leitung (11) angeschlossen ist.
EP87107630A 1986-08-09 1987-05-26 Längenmesseinrichtung Expired - Lifetime EP0256230B1 (de)

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EP0256230A2 EP0256230A2 (de) 1988-02-24
EP0256230A3 EP0256230A3 (de) 1991-01-23
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